KR101101717B1

KR101101717B1 - 통신 시스템에서 사용자들의 기회적 빔형성 및 스케줄링

Info

Publication number: KR101101717B1
Application number: KR1020040094962A
Authority: KR
Inventors: 아비도댄; 링조나단; 파파디아스콘스탄티노스비
Original assignee: 알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2012-01-05
Also published as: US20050113116A1; JP4638207B2; US7239879B2; US20070135139A1; US7760685B2; JP4837124B2; JP2011061816A; EP1536658A3; DE602004004237D1; EP1536658A2; EP1536658B1; JP2005184799A; KR20050050541A; DE602004004237T2

Abstract

사용자에 대하여 발생되는 빔을 결정하는 방법에서, 사용자는 사용자 모집단의 각 사용자에 대하여 트랙킹되는 파라미터에 기초하여 사용자 모집단으로부터 선택될 수 있고, 그 선택된 사용자에 의해 선호되는 빔이 결정될 수 있다. 그 선호 빔은 사용자 모집단에 파일럿 신호를 전송하기 위하여 기지국에 의해 발생되어 사용될 수 있다. 사용자 모집단의 각 사용자는 파일럿 신호에 응답한다. 기지국은 사용자 모집단의 모든 사용자로부터 수신되는 피드백에 기초하여 스케줄링 알고리즘을 동작시키고 사용자를 스케줄링하며, 정보는 상기 선호 빔을 사용하여 스케줄링된 사용자에게 전송될 수 있다.

빔, 트래킹, 기지국, 스케줄링, 피드백

Description

통신 시스템에서 사용자들의 기회적 빔형성 및 스케줄링{Opportunistic beamforming and scheduling of users in a communication system}

도 1은 기회 공정(PF) 스케줄링 알고리즘의 시스템 스루풋 면에서 MS의 개수와 T_c에 대한 효과를 입증하는 그래프.

도 2는 파라미터 T_c의 상이한 값들에 대한 PF 알고리즘에 의해 결정되는 타임슬롯들에서 패킷간 지연의 누적 분포 함수(CDF)를 도시하는 그래프.

도 3은 2개의 동일한 크기의 MS 집단들의 패킷 간 지연의 누적 분포 함수(CDF)를 도시하는 그래프.

도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라, 전송을 수신하기 위해 MS에 대하여 발생되는 빔을 결정하고 MS를 스케줄링하는 방법들을 기술하는 흐름도.

도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 고정된 MS 집단에 대한 시스템 스루풋 대 지연 사고율을 도시하는 그래프.

도 6는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 신호 대 간섭 비(SIR)의 누적 분포 함수(CDF)를 도시하는 그래프.

도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 시스템 스루풋 대 지연 사고율을 도시하는 그래프.

도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 MS 스루풋 대 MS 속도를 도시하는 그래프.

도 9는 MS들의 평균 방위에 관하여 시스템 스루풋 대 MS들의 방위의 표준 분산을 도시하는 그래프.

도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 장기 스루풋의 50% 이하로 떨어지는 단기 스루풋(short term throughput)의 확률에 대한 시스템 스루풋을 도시하는 그래프.

본 발명은 통신 시스템에서의 사용자들의 스케줄링 및 빔 생성에 관한 것이다.

기회적 스케줄링(OS)은 고속 패킷 시스템들의 다운링크 스루풋(throughput)을 향상시키기 위한 스케줄링 기법(scheduling technique)으로서 제안되어 왔다. OS(예를 들면, 기지국 스케줄러 또는 스케줄링 알고리즘에서 사용되는 바와 같이)는, 기지국과 MS들 간의 전파 채널들이 기지국 페이드(fade)에 의해 독립적으로 제공된다고 하는 사실을 이용한다. 이러한 독립적 페이딩은 다중-사용자 다이버시티(MUD)로서 칭해진다. 다중-사용자 다이버시티는 그들의 시간 변동 채널들이 그들의 최고 용량에 접근할 때, 사용자들에 대한 전송들을 스케줄링하는 다이버시티의 형태이며, 따라서 시스템의 스루풋이 증가된다.

OS는 많은 데이터 서비스들이 지연 허용이라는 사실을 이용한다. 그러나, 음성과 몇몇 경우에 있어서의 비디오와 같은 실시간 서비스들은 한정된 양의 패킷 지연만을 용인하며, 따라서 스케줄러는 또한 패킷 지연 통계들을 고려해야 한다. 또한, 공평함에 대한 이슈가 처리되어야 한다. 따라서, 스케줄러 또는 스케줄링 알고리즘 실행 OS는 공정성 및 지연 통계 고려와 함께 원하는 시스템 스루풋을 가중시킨다.

몇몇 스케줄러들 또는 스케줄링 알고리즘들은 스루풋, 지연 통계 및 공정성들 사이에서 적당한 트레이드 오프들을 제공하기 위한 노력으로 개발되어 왔다. 비례 공정(PF) 스케줄러로서 알려진 스케줄러는 고속 데이터(HDR) 표준의 다운링크 상에서 향상된 스루풋 및 공평함을 제공하도록 개발되어 왔다. PF 스케줄러는 MS의 평균 스루풋의 알고리즘의 합을 최대화하는 것을 보여진다. 또 다른 스케줄러에서, 각각의 사용자에게 할당된 타임슬롯들의 단편은 원하는 목표들(예를 들면, 원하는 서비스 품질(QoS) 요구 조건들을 충족시키는 것과 같은)에 기초하여 임의적으로 선택될 수 있으며, 그 후 스케줄러는 타임 할당 제약들 하에서 평균 시스템 스루풋을 최대화한다. 변경된 최대 가중 지연 제 1 알고리즘으로 알려진 또 다른 스케줄링 알고리즘은, 다음과 같은 식에 기초하여 원하는 서비스 품질(QoS)을 갖는 n개 MS들을 지원한다: P_r{W_i>τ_i}≤δ_i, i=1,....n. 상기 식에서, W_i는 MS i에 대한 패킷 지연이고, τ_i는 지연 임계치를 나타내며, δ_i는 지연 임계치를 초과하는 최대 확률을 각각 나타낸다.

상기 각각은 스케줄러의 좋은 예가 되거나 또는 스케줄링 알고리즘들은 OS 테크닉들을 이용한다. 그러나, 전파 채널들의 간섭 시간(coherence time)이 용인 가능 패킷 지연과 비교하여 길 경우, 또는 페이딩이 약한 경우(예를 들면, 하이 K 인자에 따른 라이시안 페이딩(Ricean facing)), OS는 유용하지 못하다.

따라서, 느린 채널 또는 약한 페이딩 시나리오들을 처리하기 위하여, 기회적 빔 형성(OBF)으로 알려진 스케줄링 테크닉이 제안되어 왔다. OBF는 단일 안테나를 구비한 기지국을 다중 안테나로 대체하게 되고, 타임슬롯마다의 "빔"으로 언급되는 상이한 방사 패턴을 생성하는 알고리즘을 실행하게 되는 OS의 "내츄럴" 개량형이다. 빔들의 시퀀스는 거의 랜덤하고 주기적일 수 있거나, 또는 N 빔들의 고정된 사전-설계된 콜렉션으로부터 의사-랜덤하게 선택될 수 있다. OBF 테크닉들은 테크닉들이 단순하여 다른 제안된 다운링크 빔형성 시스템들과 식별될 수 있다. 예를 들면, OS와 동일하게, OBF는 소량의 업링크 피드백을 요구하고, 빔 발생 알고리즘은 독립적으로 동작한다. 즉, 시스템의 나머지로부터 임의의 정보를 수신하지 않는다.

OBF 테크닉들을 이용하는 통신 시스템들은 2개의 상이한 환경들, 상관없는 환경과 상관된 환경에서 고려되어 왔다. 상관되지 않은 환경에서, MS와 BS의 안테나들 중 임의의 하나 간의 전파 채널들은 모두 상관되지 않는다. 실제 시스템은 각각의 BS 안테나가 충분히 떨어져 있는(2GHz에서 10피트) 이러한 경우에 가깝게 되고, 그 환경에서 약간 산재되어 있다. 상관된 환경에서, MS와 싱글 BS의 안테나들간의 전파 채널들은 매우 상관적이지만, 상이한 BS들에 대한 채널들은 상관되지 않다. 실제 시스템은 BS의 안테나가 상호 가깝게 놓여져 있는(예를 들면, 1/2 파장 떨어져 있음) 경우에 가깝게 되며, 그 BS에서의 각 확산은 낮다. 통상적으로 상관된 시스템은 상관되지 않은 시스템보다 성능이 우수하며, 따라서 상관된 시스템은 그것에 초점이 맞춰짐을 알 수 있다.

현재 개발중인 OBF 테크닉들에서, 높은 스루풋 및 양호한 지연 특성들은 목표들과 충돌하고 있다. OBF 테크닉들에 관한 연구들은 스케줄링 알고리즘에만 주로 초점이 맞춰져 있고, 상관 시스템을 위한 빔 발생 알고리즘은 원하는 셀/섹터의 단순한 주기적 스캐닝이 되도록 취해졌다. 빔 발생 알고리즘은 스케줄러와 독립적으로 동작하고, 임의의 방법으로 빔 시퀀스를 변경하기 위한 시스템 상태 정보 사용에 대한 어떠한 시도도 행해지지 않았다. 빔 형성 및 스케줄링에 대한 합동 연구는 지금까지 처리될 것으로 믿어지지 않고 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 사용자에 대하여 발생될 빔을 결정하는 방법에 관한 것이다. 사용자는 사용자 모집단에서 각각의 사용자에 대하여 트랙킹되는 파라미터에 기초하여 사용자 모집단에서 선택될 수 있고, 그 선택된 사용자에 의해 선호되는 빔이 결정될 수 있다. 선호된 빔은 사용자 모집단에 파일럿 신호를 전송하기 위해 기지국에 의해 발생되어 사용될 수 있다. 사용자 모집단의 각 사용자는 그 파일럿 신호에 응답한다. 기지국은 스케줄링 알고리즘을 동작하고, 사용자 모집단의 모든 사용자들로부터 수신되는 피드백에 기초하여 사용자를 스케줄링하며, 선호된 빔을 사용하여 스케줄링된 사용자에게 정보를 전송할 수 있다.

본 발명은 이하에서 본 명세서에 제공되는 상세한 설명 및 첨부 도면들로부터 보다 용이하게 이해하게 되며, 동일한 요소들은 동일 참조 번호들로 표시되고, 프라임 부호 및 다중 프라임 부호 표시는 또 다른 실시예들에서 동일한 요소들을 나타내고, 또 다른 실시예들은 단지 기술 목적으로 제공될 뿐 본 발명을 한정하지는 않는다.

본 발명의 원리들이 범용 모바일 전기통신 시스템(UMIT) 표준의 잘 알려진 고속 다운링크 패킷 액세스(HSDPA) 명세에 기초하여 무선 통신 시스템들에 가장 적절하게 되고, 이러한 예시적인 문맥에 기술되고 있지만, 본 명세서에서 도시되고 기술되는 예시적인 실시예들은 단지 기술 목적일 뿐, 임의의 방법에서 한정되지는 않는다. 이와 같이, 3G-1x EV-DO, 3G-1x EV-DV, UMTS 테크놀로지들, 및/또는 예를 들면 빔 형성 및 스케줄링 기능들을 현재 지원하거나 또는 지원하도록 적용되고, 본 명세서의 교시에 의해 예기되는 현재 개발중인 제 4 세대 무선 통신 시스템들에 기초하여, 무선 통신 시스템들 또는 네트워크들에 적용하도록 다양한 변경들이 행해질 수 있다는 것을 당업자는 이해하게 된다.

이하에서 사용되는 경우에, 용어 "사용자"는 이동국(MS), 사용자 장비(UE), 가입자, 가입자 사용자, 액세스 터미널, 원격지국(remote station) 등과 동의어이며, 무선 통신 네트워크에서 무선 리소스들의 사용자를 기술한다. 본 명세서에서 종종, 사용자 및 이동국은 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 용어 기지국(또한, 노드-B로서 알려짐)은 네트워크와 하나 또는 그 이상의 이동국들 간의 데이터 접속을 제공하는 장비를 기술한다. 시스템 또는 네트워크(예를 들면, 액세스 네트워크)는 하나 또는 그 이상의 기지국들을 포함한다. 용어 "빔"은 기지국에 의해 발생되는 특정 방사 패턴을 나타낸다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 신호 대 간섭 비(SIR) 및 신호 대 잡음 비(SNR)는 교환 가능하게 사용되며 주어진 시간에 간섭(또는 잡음)의 양에 대한 신호 크기의 비를 나타낸다.

예시적인 실시예들은 사용자 패킷 지연을 감소하면서 시스템 스루풋을 증가시키는 기존의 스케줄링 방법들과 결합하여 사용될 수 있는 기회적 빔형성 방법에 관한 것이다. MS에 대하여 바람직한 빔을 결정하기 위하여, BS는 BS에 의하여 전송되는 파일럿 신호들에 응답하여 MS로부터 수신되는 과거 리포트들(오버타임)을 처리한다.

그러나, 빔형성 및 스케줄링 방법을 보다 상세하게 논의하기 이전에, 발명자는 예시적인 스케줄링 루틴들에 관한 논의, 본 발명의 방법들의 시뮬레이션들에 사용되는 예시적인 시스템 모델을 제공하며, 본 발명의 예시적인 실시예들을 보다 나은 환경에 있도록 하기 위해서 공정성 및 대기 시간에 관한 개념들을 간단하게 논의하고 있다.

스케줄링 알고리즘

이후, 용어들 '스케줄러' 및/또는 '스케줄링 알고리즘'은 특정 스케줄링 테크닉을 기술하는데 사용될 수 있으며, 스케줄러 또는 스케줄링 알고리즘 모두는 하드웨어 및/또는 소프트웨어에서 실행될 수 있다는 것을 이해하게 된다. 따라서, 이들 용어들은 서로 교환 가능하게 사용될 수 있다. 또한, 용어 빔은 전술된 바와 같이 기지국에 의해 발생되는 특정 방사 패턴을 나타낸다.

스케줄링 알고리즘들에 있어서 선택이 가능하다. 가장 단순한 스케줄링 알고리즘들 중 하나는 라운드 로빈(round robin:RR) 스케줄링으로 통상 언급된다. 동일한 이동국(MS)으로의 연속 전송들 간의 지연이 고정되고 모드 MS들에 있어서 동일한 경우에, 라운드 로빈 스케줄링은 클래식 시간 분할 멀티플렉싱이다. 라운드 로빈 스케줄러는 자발적으로 동작하고 채널 상태 정보의 형태에서 임의의 피드백을 요구하지 않는다. 반대로, 최고 데이터 레이트로 수신할 수 있는 MS에 항상 전송하는 최대-레이트 스케줄링은, 최고 가능한 시스템 스루풋을 산출하지만, 공정성 및 지연을 모두 무시한다. 또 다른 스케줄러, PF 스케줄링 알고리즘은 원하는 특성들을 가지는 것으로 보여져 왔다. 따라서, PF 스케줄러 형태는 기술되며, 예시적인 실시예들에 따라 빔 형성 방법과 결합하여 동작하는 것으로 계획되고, 이하의 PF 스케줄러가 아닌 다른 스케줄링 알고리즘들이 본 명세서에 적용 가능하다는 것을 이해하게 된다. 이하에서 논의되는 PF 스케줄러는, 2002년 6월, No 6, vol. 48, IEEE Trans. On information Theory, "덤 안테나들을 이용한 기회적 빔 형성(Opportunisitic Beamforming Using Dumb Antennas)" 제목의 Viswanath 등의 논설에 보다 상세하게 논의된다.

PF 스케줄러

T_i(n)은 타임슬롯 n의 개시부에서 MS의 이동 평균 스루풋을 나타내고, J_n∈{1,...n_M}은 타임슬롯 n에서 전송을 위해 선택된 MS를 나타내며, 여기서, n_M은 BS가 지원하는 MS들의 개수이다(n_M은 고정된 수로 처리되지만, 알고리즘이 동작함에 따라 때때로 변화한다). 타임슬롯 T_i(n+1)에서 MS의 이동 평균 스루풋은 식 1로 기술될 수 있다:

삭제

i = 1,...,n_M; n = 0, 1, ....

식 (1)에서, T_i(0)=δ_i이며, δ_i는 몇몇의 주어진 초기값이고, T_c는 스케줄러의 스루풋 평균 필터의 효율적인 메모리를 결정하는 자유 파라미터(free parameter)이다. 식 (1)로부터, 큰 T_c는 필터를 위한 큰 효과적인 메모리에 대응하고, 반대도 같음을 알 수 있다.

따라서, PF 스케줄러를 동작하는 BS에 의해 실행되는 스케줄링 결정은 식 (2)로 기술되며, 타임슬롯 n에서 BS는 다음 식을 충족시키는 MS J_n을 스케줄링한다:

, n = 0,1,2,.....

다시 말하면, 식 (2)는 BS가 최대 R_i(n)/T_i(n) 비를 가지는 MS i에 전송하는 것을 말한다. 도미네이터(dominator)에서 T_i(n)을 포함함은, 최근에 "굶주린(starved)"(예를 들면, 통상 대다수의 타임슬롯 동안 패킷을 수신하지 못함) MS들이 스케줄링 방법에서 상대적 우선권을 제공받음을 의미한다. MSi 가 전송을 위해 스케줄링되는 경우, 전송은 속도 R_i(n)으로 행해진다. 확률 방법

가 고정 상태 분포를 가지는 마르코브(Markov) 체인임을 알 수 있다: 이며,

, i = 1,...,N_M,여기에서 π_i는 MS i에 할당되는 시간의 장기 단편이다.

PF 스케줄링 알고리즘은 다음과 같은 특징들을 나타낸다: (a) 시스템 스루풋은 T_c에 의해 부과되는 한계까지 MS 개수 및 MS들의 속도에 따라 상승하고; (b) 시스템의 스루풋은 T_c에 따라 증가하지만, 고정된 개수의 MS들에 대해, T_c가 상승을 유지할 때 스루풋 이득의 레이트는 포화가 되며; 및 (c) T_c가 상승할 때, 동일한 MS로의 연속적 전송들 간에 보다 긴 지연들이 나타나기 시작한다.

도 1은 비례 공정(PF) 스케줄링 알고리즘의 시스템 스루풋상의 MS들의 개수 및 T_c의 효과를 입증하는 그래프이다. 도 1에서, 시뮬레이션된 셀 스루풋은, 2ms의 타임슬롯(T_s), 0dB의 MS들 모두에 대한 SNR, 1ms의 이동 속도 및 2GHz의 RF 반송 주파수에 기초하여 MS들 개수의 함수로서 도시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템 스루풋은 T_c에 부과되는 한계까지 MS들의 개수 및 MS들의 속도에 따라 상승한다.

도 2는 파라미터 T_c의 상이한 값들에 대한 PF 알고리즘에 의해 결정되는 타임슬롯들에서 패킷간 지연의 누적 분포 함수(CDF)를 도시하는 그래프이다. 특히, 도 2는 긴 패킷간 지연들의 확률(다수의 평균 패킷간 지연)이 T_c에 따라 상승함을 입증하고 있다. 도 2에서, y-축은 지연이 x-축 상의 대응 개수의 타임슬롯들을 초과하지 않는 확률이다. 도 2는 도 1에서와 같이, 평균 SNR, 타임슬롯 지속 기간 및 이동 속도에 관하여 동일한 파라미터들을 가진다. 도 1 및 도 2에서, 관계 R_i(n)=log₂(1+SIR(n)), 및 레일리 페이딩(Rayleigh fading)이 가정된다.

시스템 모델

후술되는 빔형성 및 스케줄링 방법들의 이해를 돕기 위하여, 발명자는 이하의 예시적인 시스템 모델을 개발하였다. 그러나, 이하에서 기술되는 시스템 모델은 단지 한 가지 가능한 시스템 모델일 뿐이며, 다른 시스템 모델들이 이 기술분야에서 이해되는 경우 적용 가능하다는 것을 이해하게 된다.

(a) 각 채널은 상관된 레일리 페이딩 프로세스를 필요로 하며, pp 52-55, 1966, 클루워 아카데미 출판사, "이동 통신의 원리들"이라는 제목의 G. L. Stuber에 의한 책의 페이지 55에 기술되는 바와 같이, 그것은 MS의 속도에 관련된다. 상관된 레일리 변수들의 시퀀스는 각 MS에 대하여 독립적으로 선택될 수 있다. 이것은, 2000년 7월, NO 7, Vol. 48, On Comm, IEEE Trans, "역푸리에 변환에 의한 상관 레일리 랜덤 변수들의 발생(The Generation of Correlated Rayleigh Random Variates by Inverse Fourier Transform)"이라는 제목의 영(Young) 등에 관한 조항에 기술되는 바와 같이 적절한 방법을 사용하여 달성된다.

(b) 각 채널의 평균 감쇄, 즉 레일리 페이딩이 필터링될 때, 시뮬레이션 동작에 대하여 고정된다.

(c) 다르게 특정되지 않는 경우, MS들은 커버된 섹터의 영역에 대하여 랜덤하게 그리고 균일하게 배치된다. 이러한 선택 프로세스는 각각의 시뮬레이션 동작에 대하여 독립적으로 반복된다.

(d) BS는 전체 전력으로 전송한다.

(e) 입력은 BS에서 버퍼링하고, MS마다 하나는 항상 전송되기 위해 대기하는 데이터를 포함한다. 다시 말하면, BS로 가는 도중에 또는 버퍼에서 대기중일 때 패킷들에 의해 경험되는 지연은 무시된다.

(f) 단순하게 하기 위하여, 전송 속도와 상관없이, 정확하게 정보의 한 패킷은 싱글 타임슬롯에서 전송된다.

(g) R(n)의 추정은 제로 에러로 행해지고, MS의 리포트들은 지연 없이 BS에서 완벽하게 수신된다. 데이터 패킷들은 항상 정확하게 수신된다.

공정성 및 대기 시간

공정성에 관한 개념은 π_i와, 각 MS에 할당되는 시간의 장기 단편과 관련된다. 예를 들면, 라운드 로빈 스케줄러에서, 이러한 단편은 π_i=1/n_M, i=1,...n_M이고, 지연은 고정되며, n_M 타임슬롯과 동일하다. 그러한 가정 하에서, R_i(n)∝SNR_i(n). i=1,...n_M이며, 모든 MS들에 관한 전파 채널들이 고정적이고, 독립적이며, 동일하게 분포되는 경우에, 최대로 임의의 스케일 인자(scale factor)까지 처리하고, PF 알고리즘은 공정성 특성을 처리한다: MS의 평균 SIR과 상관없이 π_i=1/n_M이다. 그러나, 통상적으로 상기는 정확하지 않다.

도 3은 2개의 동일한 크기의 MS 집단에 대하여 패킷간 지연의 누적 분포 함수(CDF)를 도시하는 그래프이다. 특히, 도 3은 MS 집단이 2개의 동일한 그룹들을 포함하는 경우 패킷간 지연의 CDF를 나타내며, 한 그룹은 10dB와 동일한 평균 SIR을 가지며, 나머지 그룹은 -10dB의 평균 SIR을 가진다. CDF는 이하의 가정 하에서 PF 알고리즘에 있어서 시뮬레이션들에 의해 얻어진다: R_i(n)=log(1+SIR_i(n)), i=1,...n_M; 다른 파라미터들은 20개의 MS들이고, T_C=100이고, 평균 SNR는 0dB이고, 모빌 속도는 1ms 이고 RF 반송 주파수(Fc)는 2GHz이다.

도 3에서 명백하듯이, 보다 긴 지연으로 인해(특히, 대략 40개의 타임슬롯들에서 또는 그 이상의 패킷간 지연에 대하여), 약자 그룹(평균 SIR이 -10dB)은 강자 그룹(평균 SIR이 10dB) 보다 상당히 악화된다. 예를 들면, 강자 그룹에 대하여 100개의 타임슬롯들을 초과하는 지연 확률(x-축상에서 10²)은 약 1%뿐이며, 반면에 100개의 타임슬롯을 초과하는 패킷간 지연을 가지는 약자 그룹에서 모바일들의 확률은 거의 6%이다.

이러한 패킷간 지연은 '대기 시간'으로 언급된다. 대기 시간은 MS가 그것의 최종 패킷을 수신할 때 타임슬롯의 개수로서 이해될 수 있다. 특정 셀에서 MS들의 그룹을 제공하는 BS는 셀에서 제공하는 각각의 MS에 대한 대기 시간을 트랙킹한다. 이하에서 알 수 있듯이, 주어진 타임슬롯에서, 가장 오래 대기하고 있는 MS'가 선택되고, 선호하는 빔이 발생된다. 이것은 선택된 MS가 현재 타임슬롯에서 전송을 위해 스케줄러에 의해 찾아 내어질 확률을 증가하는 효과를 가진다.

기회적 빔형성(범용)

전술된 바와 같이, OBF는 BS에서 다중 안테나를 이용하는 OS의 "내츄럴" 개량형이며, 타임슬롯마다 상이한 빔을 발생시키는 알고리즘을 실행한다. 상관된 환경에서, BS의 안테나를 불균일하게(진폭 절약형(amplitude wise)) 공급하는 것으로부터 얻어지는 것은 아무것도 없다. 따라서, 이러한 선택은 동일한 신호 전력을 가지는 각각의 안테나를 공급하고, 원하는 빔을 지적하기 위해 공급 단계를 사용하기 위한 것이다. 시뮬레이션에 사용되는 N개 빔은 120도의 섹터를 지나서 균일하게 이격되며, 제 1 빔 및 N^th의 피크는 섹터의 경계들과 일치한다.

QoS 요구 조건들을 충족시킴

통상의 MS의 서비스 품질(QoS) 요구 조건들을 충족시킴으로써, 일정한 패킷 지연 제약들을 충족시키면서 충분한 평균 스루풋을 제공하게 되는 것은 광범위하게 수용된다. PF 스케줄러를 이용한 OBF의 연구 이전에는, 시스템 스루풋, MS마다의 스루풋, 다수의 BS 안테나들 및 다수의 MS에 관한 함수로서의 각각에만 초점이 맞춰진다. 지연 제약들은 T_c를 적절하게 선택함으로써 간단하게 고려될 수 있다. 그러나, 이것은 지연을 제어하기 때문에 원하는 많은 것을 남기게 되고, T_c를 감소함으로써 지연 지터는 큰 스루풋 패널티를 초래한다. 이것은 예를 들면, OS 경우에 도 1에 의하여 제안된다. MS들 집단의 크기를 동적으로 변화시키는 것과 같은 다른 시스템 파라미터들은 MS의 속도들의 확산 및 개개의 전파 채널들은 또한 평균 스루풋뿐만 아니라 패킷 지연의 통계 및 각각의 MS들의 시간 할당에도 영향을 미친다.

또한, 연구 중에 있는 시스템(또는 BS로서 특징지어질 수 있는 '서브시스템', 그것이 동작하는 스케줄러, BS가 제공하고 있는 MS들)은 통상적으로 MS들에 의해 인식되는 총 종단 간 지연에 대한 단지 하나의 공헌자일 뿐이다. 지연 성능, 충분한 규칙 및 공정성을 가지고 MS들을 지원하기 위한 능력을 연구하기 위하여, 시스템의 나머지로부터 서브시스템을 결합 해제할 필요가 있다. 이것은 BS의 스케줄러의 입력 버퍼들이 항상 데이터를 포함하고 있다고 가정함으로써 행해질 수 있고, 개개의 패킷들이 버퍼에서 대기하는데 소비하는 시간은 무시된다. 그런 식으로, 상당히 상이할 수 있는 개별 패킷 도착 프로세스들은 스케줄링 결정들에 영향을 미치지 않는다. 각각의 MS를 위한 개별 페이딩 프로세스들은 고정적이라고 가정하면, 지연 제약은 특정 애플리케이션에 의해 설정될 수 있는 주어진 시간 윈도우에 걸쳐 측정되는 이동 평균 스루풋이 주어진 임계치 이하로 떨어질 확률로 정의될 수 있다.

적어도 하나의 패킷이 임의의 고정 길이의 "스퀘어 형상" 시간 윈도우에서 수신되도록 요구되는 경우, 통상의 요구 조건은 패킷간 지연에 부과되는 시간 제한으로 감소하게 됨을 알 수 있다.

이 경우에, 지연 성능은 패킷간 지연(2개의 연속 수신되는 패킷간의 지연)이 특정 임계값을 초과하는 확률로 측정될 수 있다. 이러한 이벤트의 발생은 '지연 손실(delay outage)'로 언급될 수 있다. 평균 대기 시간은 BS가 지원하는 MS들의 개수(n_M)에 의해서만 용이하게 결정될 수 있다. 예를 들면, 10개의 MS인 경우, 평균 대기 시간은 10개의 타임슬롯들(평균 대기 시간)이다. 평균 대기 시간을 변화시킬 방법이 전혀 없는 경우, 지연 성능을 향상시킴으로써 패킷간 지연의 확률 밀도 함수 곡선의 상부 "꼬리부분"을 수축시키게 된다(CDF는 도 2, 3에서 도시된다).

빔형성 및 스케줄링 알고리즘들

OBF 시스템들에서, 높은 스루풋 및 양호한 지연 특성들은 목표들과 충돌하게 된다. 전술된 바와 같이, 현재의 OBF 실행에서, 빔 시퀀스 발생이 독립적으로 동작하는 것으로 보여지는 경우, 상관된 시스템(예를 들면, 다수의 근접하게 이격된 안테나들)에 대하여 발생하는 빔을 스케줄링 알고리즘들과 결합하고자 하는 어떠한 시도도 행해지지 않았다. 따라서, 비교를 위하여, 이후 현재의 OBF 테크닉들은 '표준 OBF'(sOBF) 알고리즘으로 언급되게 된다.

예시적인 실시예들 또는 본 발명에 따라서 MS(및 스케줄링 방법)에 발생되는 빔을 결정하는 방법은 과거 MS 리포트들을 이용한다. 어떠한 추가 리포트들 또는 피드백도 MS로부터 요구되지 않는다. BS에서 이용가능한 정보에 기초하여 스캐닝 시퀀스를 변경함으로써, 스루풋 및 지연 통계들로 시스템 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

느린 이동 MS는 평균에 달하는 고속 페이딩을 가지는 전파 채널이 사실상 변화되지 않는 시간 간격 동안 실질적인 개수의 리포트들을 전송한다. 따라서, 빔들의 각각에서의 전송들에 응답하여 MS가 전송하는 리포트들을 평균화함으로써 MS가 "선호"하는 빔을 식별하는 것이 가능하다(적당한 개수의 빔들을 가정할 경우). '선호 빔'은 가장 높은 평균 동작 데이터 레이트, 또는 예를 들면, 리포트들로 표시되는 바와 같이 대응하는 SIR, BS로의 주어진 MS에 의한 피드백을 가지는 방사 패턴으로 이해될 수 있다. 따라서, BS는 BS에 관한 주어진 MS에 의한 리포트들, 또는 피드백, 예를 들면 BS에 의해 전송되는 파일럿 신호에 응답하여 MS가 전송하는 리포트들에 기초하여, 주어진 MS에 대하여 '선호 빔'을 결정하고 발생시킬 수 있다.

이하의 표시 및 조건들이 소개된다: 이하의 알고리즘들에 대하여, N개의 사전-선택된 빔들의 유한한 콜렉션이 있고: {b₁, b₂,...b_N}, 식 j(m)∈{1,...,N}은 m=0, 1, ...n-1에 대하여 타임슬롯 m에 사용되는 빔의 인덱스를 나타내며, 여기서 n은 현재 타임슬롯이다.

도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 MS에 대하여 발생되는 빔을 결정하는 방법을 기술하는 흐름도이다. 도 4의 함수들은 예를 들면, 소프트웨어 루틴을 실행하는 마이크로프로세서 또는 디지털 신호 프로세서와 같은 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해서 실행될 수 있다. 도 4의 함수들은 또한 조인트 기회적 빔형성 및 스케줄링 알고리즘, 및 현재 OBF 알고리즘의 변경을 기술하는 것으로 고려될 수도 있다.

도 4를 참조하면, 초기화에서(함수 410) 타임슬롯 카운터 n은 초기화되고(n=0), 제외 윈도우(exclusion window)는 비어진다. 일반적으로, 제외 윈도우는 열악한 채널 조건들을 가지는 MS를 빔이 연속적으로 조명하지 못하게 하도록 설계된 시간 윈도우이며, 그것은 시스템 스루풋에 악영향을 미칠 수 있다. 고정 크기로 설정되거나 또는 크기가 변화되는 제외 윈도우는 이하에서 보다 상세하게 후술된다.

BS는 그것이 제공하는 각각의 MS의 공통 파라미터를 트랙킹한다. 이러한 파라미터는, MS가 예를 들면, 그의 최종 패킷을 수신한 후 전술된 MS의 '대기 시간'일 수 있다. 대안적으로, 대기 시간 대신에, BS는, 단기간 스루풋을 계산하는데 사용되는 평균화 또는 필터링 프로세스가 애플리케이션에 의해 지시될 수 있는 경우에, 각각의 MS의 단기 스루풋과 같은 파라미터를 트랙킹할 수 있고, 각각의 MS에 있어서 상이할 수 있다. 또한, BS는 그것이 제공하는 각각의 MS의 장기 스루풋(또는 평균 스루풋)에 의해 정규화되는 단기 스루풋을 트랙킹할 수 있다.

BS는 트랙킹되는 파라미터에 기초하여 MS 집단으로부터 MS를 선택한다(함수 420). 도 4는 전술된 가장 오래 대기하는 MS만의 트랙킹을 도시하며, 이것은 단지 예시적인 트랙킹 가능한 파라미터이고, 계산된 단기 스루풋 및 각각의 MS에 대하여 장기 스루풋에 의해 정규화된 단기 스루풋과 같은 다른 파라미터들은 BS에 의해 트랙킹될 수 있다는 것을 이해하게 된다. 인스턴트 예에서, BS는 최종 패킷이 수신될 때에 관하여 가장 굶주린 MS를 선택한다. 따라서, 주어진 전송을 수신하기 위해(예를 들면, 패킷) 가장 긴 기간의 시간을 대기한 BS에 의해 알려진 MS는 가장 오래 대기한 MS로서 선택될 수 있다. 함수(420)에 도시되는 바와 같이, 제외 윈도우에 있지 않은 가장 오래 대기한 모바일은 타임슬롯 n의 개시부에서 모바일 집단에서 검색된다. 이러한 MS는, i(n)이 주어진 타임슬롯 n에 대한 MS 인덱스인 경우 MSi(n)으로 언급될 수 있다.

선택된 MS에 대하여, 선호하는 빔은 이하에서 보다 상세하게 기술되는 선호 빔 알고리즘에 따라 결정될 수 있다(함수 430). 선호하는 빔은 N개의 사전-선택된 빔들의 전술된 유한 세트에서 선택된다. 파일럿 신호를 전송하기 위해 빔이 과거에 사용될 때마다, 리포트는 각각의 MS에 의해 BS로 다시 전송된다. 따라서, BS는 MS 집단에서 모든 MS들에 의해 전송되는 임의의 빔에 대하여 과거 리포트들을 수집하여 왔다.

전술된 바와 같이, N개 빔들의 각각에 대하여, BS는 빔들 각각의 전송에 응답하여 MS가 전송하는 리포트들에서의 정보를 평균화한다(적당한 개수의 빔들을 가정할 경우). 따라서, 수집된 리포트들에 기초하여, '선호 빔'은 예를 들면, MS들의 리포트들로 표시되는 바와 같이 가장 높은 평균 동작 데이터 레이트, 또는 가장 높은 대응 평균 SIR을 가지는 방사 패턴일 수 있다. 따라서, MS i(n)의 선호 빔은 양호한 빔 알고리즘에 따라 결정될 수 있으며, 그것의 일례가 후술된다.

그런 다음, BS는 선호 빔을 발생하여(함수 430) 그 선호 빔을 파일럿 신호를 전송하는데 사용한다(함수 440). 그런 다음, BS는 그것이 제공하는 MS 집단에서 모든 MS들로부터 리포트들을 수신한다(함수 450). 이러한 리포트들의 각각은 R_i(n) 항을 포함하며, 그것은 PF 알고리즘에 관하여 전술되는 바와 같이, 응답 모바일이 n 타임슬롯 동안에 수신할 수 있는 최대 데이터 레이트의 추정을 나타낸다. MS 집단에서 각각의 MS는 파일럿 신호의 신호 대 간섭 비(SIR)를 측정함으로써 R_i(n)을 계산하고, 그런 다음, 예를 들면 샤논의 용량 식(Shannon's capacity formula), R_i(n)=log₂(1+SIR(n)) 과 같은 바람직한 변형을 이용한다.

BS에서의 스케줄러는 MS가 현재의 타임슬롯에서 패킷을 수신하는 리포트들에 기초하여 결정한다(함수 460). 이것은 '승리(winning) MS'를 선택하도록 PF 스케줄러에 관하여 전술되는 테크닉을 사용하여 행해질 수 있다.

그 후, BS는 속도 R_Jn(n)(단계 430에서 선택된 빔에 관한 식 (2) 참조)로 단계 460에서 스케줄러에 의해 선택된 MS J_n(단계 420에서 선택되거나 또는 선택되지 않은 것일 수 있음)에 데이터를 전송하기 위해 진행한다(함수 470). 제외 윈도우를 업데이트하고 다음 타임슬롯에 대하여 타임슬롯 카운터를 증가시킴으로써 반복이 완성된다(함수 490). 제외 윈도우는 제외 윈도우로 함수 420에서 선택된 MS의 인덱스를 푸쉬함으로써 업데이트하며, 이것에 의해 인덱스 i(n-L)를 드롭핑하며, 그것은 제외 윈도우 중에서 윈도우의 가장 오래된 인덱스이다. 함수 420 내지 490은 다음 타임슬롯들에서 반복될 수 있다.

도 4에 기술되는 함수들은 부분 또는 전체적으로 실행될 수 있다. 예를 들면, 함수 410 내지 430 및 490은 예를 들면 스케줄링 또는 전송이 아닌 다른 특정 애플리케이션에 대하여 선호 빔을 발생하도록 빔 결정 루틴의 일부로서 실행될 수 있다. 스케줄링하는 방법은 함수 410 내지 430에 따라 선호 빔을 발생하는 단계를 포함하지만, BS는 선호 빔 이외의 다른 빔을 사용하여 스케줄링되는 사용자에 정보를 전송할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따라 선호 빔을 결정하는 방법은 임의의 유형의 스케줄링 알고리즘으로 사용될 수 있다; PF 스케줄러는 단지 하나의 예시적인 스케줄링 알고리즘일 뿐이다.

선호 빔 알고리즘

선호 빔은 이하의 선호 빔 알고리즘에 따라 결정될 수 있다; 타임슬롯 n에서 MS i에 의해 선호되는 빔은 다음과 같은 경우에 b_j이다.

식 (3)에서, j(m)은 타임슬롯 n에서 BS에 의해 발생되는 빔의 인덱스이다. j(m)=k인 경우 그 m에 대하여, δ=1이다. 예를 들면, k=3인 경우, 제 3 빔이 발생되는 모든 m에 대하여, δ=1이고 그 밖에 δ=0이다. 식 (3)은 다음과 같음을 말한다: 타임슬롯 n에서 MS i의 선호 빔은 모바일 i의 최고의 이동 평균 피드백 레이트들을 가지는 빔이다. 다시 말하면, N 개 빔 각각을 한 개씩 평가하고 빔의 모든 과거의 발생들과 평균 과거 리포트들(또는 그 리포트들의 선택된 함수)를 조사하고, 최고 평균을 선택한다. 분모 δ(i,k)는 그 식을 정규화하는 데 제공된다.

파라미터 a, 0<a<1은 선호 빔이 MS의 위치를 트랙킹하는 것을 허용하는 "망각 인자(forgetting factor)"이다. 망각 인자 a는 MS들로 하여금 그들의 선호 빔들의 변화들을 트랙킹하는 것을 허용하기에 충분할 정도로 작아야 하고, 그 방법은 마이크로-셀들에서 통상 초로 측정되며, 동일한 시간에 고속 페이딩의 적절한 필터링을 허용하도록 1에 상당에 근접하다. a의 양호한 선택은 예를 들면, 섀도우 페이딩의 상관 해제 거리, 셀/섹터의 물리적 크기 및 관련된 MS 속도 범위에 기초하게 된다(이러한 포인트들과 BS간의 경로 손실에 관한 섀도우 페이딩 구성 성분들 간의 상관이 임의의 사전 선택된 값, 예를 들면, e^-1로 감쇄되도록, 상관 해제 거리는 2개 포인트들 간의 거리이다).

계산 노력 및 메모리를 절약하기 위하여, 식 (3)은, 식 (4) 내지 식 (6)에서 기술되는 바와 같이, 이전의 타임슬롯들로부터의 정보를 이용하여 각각의 MS에 대하여 반복적으로 계산될 수 있다.

제외 윈도우 L은 L 차원 벡터이며, L은 기껏해야 n_M-1이다. 그것의 j번째 구성 소자 L_j는 MS들 중 임의 것의 인덱스이거나, 또는 제로이다. 제외 윈도우의 목적을 이해하는데 도움을 주기 위하여, L은 제로로 설정하고, MS i는 가장 오래 대기하고 있는 MS를 나타내는 것으로 묘사한다. 선호 빔 알고리즘은 MS i가 선호하는 빔을 반복적으로 결정(선택)하고, MS i가 패킷을 수신할 때까지 다음(차후) 타임슬롯(들)에서 계속해서 그렇게 하며, 그것에 의해 가장 오래 대기한 MS가 되도록 정지한다. 이것은 시스템 스루풋에 부정적인 효과를 나타낸다.

따라서, 제외 윈도우의 목적은 "불량" 채널로부터 복구하는 것이 느린 MS를 빔이 반복적으로 조명하는 것을 방지하는 것이다. 느리게 이동하는 MS에 대하여, 가장 긴 가능한 제외 윈도우(L=n_M-1)는 최상의 결과들을 제공하는 것으로 나타난다; 차량 속도로 이동하는 MS들에 대하여, 윈도우(예를 들면, L=1)가 짧을수록 보다 나은 실행하는 것으로 나타난다. MS들의 속도를 매칭하도록 L을 조절하는 것이 이로울 수 있다. 그러나, BS가 MS들의 속도를 알고 있다고 가정되지 않는다. 따라서, MS들의 속도들을 모르는 L을 선택할 필요가 있다. 그럼에도 불구하고, 후술되는 바와 같이 도 6에 도시된 바와 같이 광범위하게 이격된 속도들에 있어서 양호한 성능이 얻어진다.

다수의 빔(N)은 변경된 OBF 알고리즘의 성능에 영향을 미친다. 발명자에 의한 시뮬레이션에서, N은 시스템 스루풋에서 적은 손실을 나타내면서 빔들이 충분히 오버랩핑하도록 N=11과 같이 선택된다. OBF 알고리즘에서, N의 증가로 긴 지연의 발생의 주파수가 증가된다. 본 명세서에 기술되는 변경된 OBF 알고리즘에서, N의 증가는, 각각의 빔이 고속 페이딩을 효율적으로 필터링하는 것을 가능하게 하는 하는데 충분한 리포트들이 유용한 한은 어떠한 유해한 영향을 나타내지 않으며, 전파 채널의 평균 감쇄(고속 페이딩 제외함)를 여전히 트랙킹한다. 이것은 "손실된" 빔들을 삽입하기 위하여 빔 발생 알고리즘으로부터 주기적 편차들을 요구하며, 이로 인해 최소 주기로 모든 N 빔들이 실행된다는 것이 확실해진다. 이러한 편차들이 타임슬롯의 적은 부분을 소비하는 한, 그 결과로 발생되는 손실은 최소가 된다.

QoS 및 지연의 다른 특정들

전술된 방법(들)은 다음 패킷에 대하여 "가장 오래 대기한" MS에 우선권을 부여하는 노력에서 발명되어 왔다. 보다 일반적인 경우에, 보다 긴 기간의 서비스 저하는 성능을 측정하기 의한 계량용(metric)으로서 사용될 수 있다. 정당한 QoS 요구 조건은, MS가 다음과 같은 것을 갖게 요구하도록 표현될 수 있다:

a) 충분한 장기간 (평균) 스루풋; 및

b) 스루풋에 있어서 단기 저하들은 너무 자주 발생하지 않아야 하고, 너무 깊지 않아야 한다. 수량적으로, (b) 타임슬롯들의 단편 δ보다 적게 장기 스루풋의 단편 γ이하로 떨어지는 것을 요구할 수 있다.

'장기 스루풋', '단기 스루풋' 및 파라미터들 γ 및 δ는 주어진 애플리케이션에 기초하여 변화될 수 있다. 이것은 비트 에러율(BER)이 아닌, 예를 들면 "그날의 불량 분(bad minutes per day)"으로 통신 링크의 품질을 측정하기 위해 종종 사용되는 실행과 유사하다.

QoS 객체를 정의할 때, 이러한 방법은 빔 발생 방법을 변화시킨다. 즉, 다음 패킷에 있어서 가장 오래 대기한 MS에 의한 선호 빔을 발생하는 대신에, 선호 빔 알고리즘은 장기(또는 평균) 스루풋에 관한 단기 스루풋의 최저 비를 가지는 MS에 의한 선호 빔을 발생한다.

시뮬레이션 및 결과들

도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 고정된 MS 집단에 대한 시스템 스루풋 대 지연 손실 확률을 도시하는 그래프이다. 도 5는 파라미터로서 T_c를 가지는 지연 손실 확률 대 시스템 스루풋을 도시하고 있다.

도 5에서, 지연 제약(즉, 임계치)은 160ms가 되도록 선택된다. 20개의 MS에 대하여, 이러한 임계치는 40ms의 평균 지연의 4배와 동일하다. 시스템들의 스루풋/지연 곡선이 비교된다. 제 1 라벨 "PF"는 단일 안테나에 대한 PF 알고리즘이다. OBF 표준에 대한 제 2 라벨 "sOBF"는 빔들의 단순한 스캐닝을 가지는 OBF 시스템이다. 제 3 곡선에서, 라벨 "JOBS"는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 도 4에 관하여 기술되는 방법이다. 라벨 JOBS는 단지 식별자일 뿐이며, 임의의 방법에서 예시적인 실시예들을 한정하도록 구성되지 않아야 한다. 도 5에서, OBF 시스템들 양자는 BS에서 4개의 안테나를 사용하고, 상이한 순서가 아닌 동일한 세트{b₁,b₂,...b₁₁}의 빔들을 발생한다. 모든 ms들의 평균 SNR은 0dB로 고정되며, 이동 속도는 8m/sec로 고정되고, 제외 윈도우 L은 15로 고정된다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 지연 성능은 패킷간 지연이 특정 임계값을 초과하는 확률로 측정될 수 있으며, 여기서 이러한 이벤트의 발생은 지연 손실로 알려져 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 고정된 이동 집단 및 속도에 대하여, 지연 손실 확률은 sOBF 또는 PF 알고리즘들 보다 JOBS에 대하여 훨씬 낮다. 따라서, JOBS가 과도한 지연 확률을 감소시키는 동시에 달성되는 보다 높은 시스템 스루풋을 가능하게 함을 보여주고 있다.

도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 신호 대 간섭 비(SIR)의 누적 분포 함수(CDF)를 도시하는 그래프이다. 도 6의 데이터는 셀의 영역에 걸쳐 랜덤하게 그리고 균일하게 MS들을 배치함으로써 발생된다. 육각형 격자상의 셀들을 간섭하는 2개 링은 단방향 안테나들을 사용하여 동일 전력으로 계속해서 전송하는 모든 BS들에 대하여 고려된다. 각각의 MS들에 대하여, 최고 평균 수신 전력을 가지는 섹터의 신호는 신호로 고려되며, 나머지 섹터들은 간섭 전력에 기여된다.

BS j와 MS i 간의 A_j,i로 표시되는 dB 경로 손실은 다음과 같이 2개의 부분들의 합으로 취해진다: A_j,i=-35dBlogd_j,i-ξ_j,idB, 여기서 d_j,i는 BS j와 MS i간의 거리이고, ξ_j,i는 j, i 링크의 섀도우 손실이고, ξ_j,i는 (각각의 링크에 대하여) 독립적으로 제로 평균, 표준 편차가 σ=8dB인 가우시안 랜덤 변수로 취해진다. 그 방법은 도 6에 도시된 곡선을 수립하기 위해 대다수의 시간들에 대하여 반복된다.

도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 시스템 스루풋 대 지연 사고율을 도시하는 그래프이다. 도 7은 도 5에 도시된 바와 동일한 실험을 반복하지만, 2개의 상이한 속도들(모든 MS들에 공통임)에 대해서는 아니다. 이러한 경우에, 각 모바일에 대한 SIR은 도 6에 도시된 CDF와는 독립적으로 선택된다. 도 7은 2가지 경우들을 보여준다: 모든 MS들의 속도가 1m/sec로 설정되는 첫 번째 경우, 모든 MS의 속도가 8m/sec인 두 번째 경우.

간단하게 전술된 바와 같이, 제외 윈도우 MS들의 개수 및 그들의 속도가 매칭하는 것이 바람직하다. 그러나, BS들이 통상적으로 동일하지 않은, 그들이 제공하고 있는 MS들의 속도를 모르고 있기 때문에, 모든 속도들에 사용하도록 특정 고정된 제외 윈도우 L을 선택할 필요가 있다. 도 7에서, 제외 윈도우는 15로 고정된다.

도 7에 도시된 바와 같이, JOBS는 낮고 높은 속도들 모두에 대하여 sOBF 및 PF 보다 낫게 실행하지만, 이득은 높은 속도들에서 특히 크다. 모든 3개 알고리즘들의 일반적인 경향은 도시된 범위 내에서 T_C가 증가함에 따라 지연 손실이 고속으로 저하(상승)하며, 스루풋은 작은 이득을 나타낸다는 것이다. 따라서, 도 7로부터, JOBS가 보다 높은 스루풋의 달성을 가능하게 하고, 동시에 과도 지연 확률을 감소시킨다. T_C가 임의의 파라미터이기 때문에, 스루풋과 지연 간의 원하는 트레이드-오프는 특정 애플리케이션을 매칭하도록 선택될 수 있다.

도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 MS 스루풋 대 MS 속도를 도시하는 그래프이다. OBF 알고리즘 하에서 광범위하게 확산된 속도들을 가지는 개별 MS들의 스루풋을 관찰하기 위하여, 상이한 속도들은 7개의 MS 시스템에서 각각의 MS에 할당된다. 전파 채널들은 i.i.d이다. 도 8을 참조하면, 보다 고속인 MS들은 느린 MS들보다 높은 스루풋들을 나타내며, 그 차이가 크지 않음을 알 수 있다.

도 9는 MS들의 평균 방위에 관하여 시스템 스루풋 대 MS들의 방위의 표준 편차를 도시하는 그래프이다. 구체적으로 말하면, 도 9는, BS로부터 알 수 있듯이, 임의 방위 주변의 MS 집단의 클러스터링 범위 대 시스템 스루풋을 도시하고 있다. 클러스터링 범위는 MS들의 평균 방위에 관하여 MS들 방위의 표준 편차에 의해 측정된다. sOBF 알고리즘보다 많은 JOBS의 이점은, MS들이 셀/섹터 영역 상에서 균일하게 분포되지 않고, 예를 들면 쇼핑 센터 또는 주요 도로와 같은 지정된 영역들에 집중된다. sOBF 알고리즘은 MS들의 불균일한 분포를 무시하고, 그것이 심하게 로딩되는 영역들을 조명할 경우, 가볍게 로딩되거나 또는 심지어는 비어있는 서브섹터들을 조명하는 많은 타임슬롯들로서 소비한다.

한편, JOBS 알고리즘은 MS의 공간적 분포에 자신을 순응시키고 비어있는 영역을 피한다. 이러한 특징을 입증하기 위하여, 각 MS의 방위는 정상 pdf로부터 동작되는 각각의 시뮬레이션에 대하여 랜덤하고 독립적으로 선택된다: 절단, 랩 어라운드(wrapping around) 및 스케일링이 필요한 N(α,σ²),(예를 들면, 평균 α, 표준 편차 σ를 가지는 가우시안 분포를 나타내는 랜덤 변수). 동작되는 각각의 시뮬레이션에 대하여, 평균 α는 섹터 경계 내에서 랜덤하고 균등하게 선택된다. 획득되는 시스템 스루풋은 표준 편차σ의 함수로서 도 9에 도시된다. 도 9로부터 알 수 있듯이, JOBS는 σ가 낮은 경우에 sOBF보다 훨씬 낫다.

도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 장기 스루풋의 50% 이하로 떨어지는 단기 스루풋의 확률 대 시스템 스루풋을 도시하는 그래프이다. 지연의 보다 일반적인 측정치(상이한 성능 측정 규준)에 대한 JOBS 알고리즘의 성능을 테스트하기 위하여, 발명자들은, 선호 빔 알고리즘이 장기(또는 평균) 스루풋에 관한 단기 스루풋의 최저 비를 가지는 MS에 의한 선호 빔을 발생하도록, 선호 빔 알고리즘을 재 구성하였다. 그런 다음, 발명자는, T_c=100에 관하여 필터링되는 단기 스루풋이 장기 스루풋의 50% 이하로 떨어지는 확률 대 시스템 스루풋을 시뮬레이션하였다. 그 결과들은 도 10에 도시된다. 이러한 상이한 측정 규준에서조차도, JOBS 알고리즘은 sOBF 보다 더 강하게 나타난다.

따라서, 전술된 바와 같이 빔형성 및 스케줄링 결합은 셀룰러 무선 통신 시스템의 주어진 셀 또는 섹터에 제공되는 MS들이 공정하고 규칙적으로 제공됨을 확실하게 하는데 도움을 준다. 선택된 MS(가장 오래 대기한 MS로서 선택되거나 또는 또 다른 기준에 기초하여 선택됨)에 우선권을 부여함으로써, 그 경우가 전반적인 시스템 스루풋을 향상시키면서 시스템 지연 제약들을 충족시킬 수 있을 때, MS들에 의해 패킷들을 수신할 때 긴 방해 확률 또는 저하된 서비스 기간들(장기간 부족들)을 감소시킨다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따라, 선호 빔은 시스템 상태 정보를 사용하여 결정될 수 있다. 다시 말하면, 어떠한 과다 또는 추가 시그널링도 필요하지 않다. 이것은 시스템 상태 정보와 상관없이 동작되는 sOBF 알고리즘보다 많은 향상을 제공하며, 따라서 어떠한 시스템 상태 정보를 입력으로 수신하지 않는다. 왜냐하면, 빔들은 순차적 또는 특정 순서로 발생되어 셀 또는 섹터를 조명하기 때문이다.

따라서, 본 발명의 예시적인 실시예들이 기술되며, 그것은 많은 방법들에서 동일하게 변경될 수 있음이 명백해지게 된다. 이러한 변경들은 본 발명의 예시적인 실시예들의 사상 및 범위를 이탈한 것으로 간주되지 않으며, 당업자에게 자명하게 되는 이러한 모든 수정들은 이하의 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims

정보를 사용자에게 전송하기 위해 발생되는 빔을 결정하는 방법에 있어서:

사용자 모집단내의 각각의 사용자를 위하여 트랙킹되는 파라미터에 기초하여 상기 사용자 모집단으로부터 사용자를 선택하는 단계; 및

상기 선택된 사용자에 대하여 발생되는 선호 빔을 결정하는 단계를 포함하고,

상기 트랙킹되는 파라미터는 상기 사용자가 그의 최종 패킷을 수신한 후 시간의 지속 기간을 나타내는 각각의 사용자에 대한 대기 시간이며,

상기 선택 단계는,

주어진 타임슬롯에 대하여 타임슬롯 카운터를 초기화하는 단계;

불량 채널 조건들을 가진 사용자를 빔이 계속해서 조명하는 것을 방지하기 위해 구성되는 제외 윈도우(exclusion window)를 비우는 단계; 및

상기 주어진 타임슬롯의 개시부에서, 상기 제외 윈도우 밖에 있는 가장 오래 대기한 사용자에 대하여 상기 사용자 모집단을 검색하는 단계를 더 포함하는, 빔 결정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 검색 단계 및 결정 단계는, 각각의 타임슬롯에서 상기 가장 오래 대기한 사용자에 대하여 발생되는 선호 빔을 결정하도록 순환적으로 반복될 수 있는, 빔 결정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 트랙킹되는 파라미터는,

주어진 애플리케이션에 의해 지시되는 필터링 프로세스를 사용하여 계산되는 각각의 사용자에 대한 단기 스루풋(short term throughput), 또는

각각의 사용자에 대한 장기 스루풋에 의해 정규화되는 단기 스루풋이며, 상기 단기 스루풋은 주어진 애플리케이션에 기초하여 계산되는, 빔 결정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 결정 단계는 주어진 타임슬롯 동안,

각각의 빔에 대하여, 상기 선택된 사용자로부터 이전에 수신된 과거 리포트들에 기초하여 복수의 유한한 선택 가능한 빔들의 각 빔에 대한 이동 평균 데이터 레이트(running average data rate)를 결정하는 단계; 및

상기 선호 빔으로서 최고의 이동 평균 데이터 레이트를 갖는 빔을 선택하는 단계를 포함하는, 빔 결정 방법.
제 1 항에 있어서,

이전 타임슬롯에서 상기 선호 빔을 결정하는데 사용되는 정보에 기초하여 현재 타임슬롯에서 주어진 사용자에 대한 선호 빔을 결정하기 위한 정보를 업데이트하는 단계를 더 포함하는, 빔 결정 방법.
전송을 수신하기 위해 사용자를 스케줄링하는 방법에 있어서:

사용자 모집단내의 각각의 사용자에 대하여 트랙킹되는 파라미터에 기초하여 상기 사용자 모집단으로부터 사용자를 선택하는 단계;

상기 선택된 사용자에 대한 선호 빔을 발생시키는 단계; 및

상기 선호 빔에 기초하여, 다음 전송을 수신하기 위해 상기 사용자 모집단내의 사용자를 스케줄링하는 단계를 포함하고,

상기 트랙킹되는 파라미터는 상기 사용자가 그의 최종 패킷을 수신한 후 시간의 지속 기간을 나타내는 각각의 사용자에 대한 대기 시간이며,

상기 선택 단계는,

주어진 타임슬롯에 대하여 타임슬롯 카운터를 초기화하는 단계;

불량 채널 조건들을 가진 사용자를 빔이 계속해서 조명하는 것을 방지하기 위해 구성되는 제외 윈도우(exclusion window)를 비우는 단계; 및

상기 주어진 타임슬롯의 개시부에서, 상기 제외 윈도우 밖에 있는 가장 오래 대기한 사용자에 대하여 상기 사용자 모집단을 검색하는 단계를 더 포함하는, 스케줄링 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 발생 단계는,

각각의 빔에 대하여 상기 선택된 사용자로부터 이전에 수신된 과거 리포트들에 기초하여 복수의 유한한 선택 가능한 빔들의 각 빔들에 대하여 이동 평균 데이터 레이트를 결정하는 단계; 및

상기 선호 빔으로서 최고의 이동 평균 데이터 레이트를 갖는 빔을 선택하는 단계를 더 포함하며,

상기 스케쥴링 단계는,

상기 선호 빔을 사용하여 상기 사용자 모집단에 파일럿 신호를 전송하는 단계;

상기 사용자 모집단의 각각의 사용자로부터 피드백을 수신하는 단계로서, 상기 피드백은 상기 사용자에 최대 지원 가능한 데이터 레이트에 관련된 정보를 포함하는, 상기 수신 단계; 및

현재 타임슬롯에서 다음 전송을 수신하기 위하여 상기 사용자 모집단에 우선권을 부여하도록 스케줄링 알고리즘을 실행하는 단계를 더 포함하며,

상기 선택된 사용자는 그의 피드백에 기초하여 상기 다음 전송을 수신하도록 우선 순위가 향상되고, 상기 선택된 사용자의 최대 지원 가능한 데이터 레이트는 상기 선호 빔에 대응하는, 스케줄링 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 선택된 사용자는 가장 오래 대기한 사용자인, 스케줄링 방법.
사용자에게 정보를 전송하는 방법에 있어서,

(a) 주어진 타임슬롯의 개시부에서, 불량 채널 조건들을 가진 주어진 사용자에게 정보를 전송하기 위해 사용되는 빔이 상기 사용자를 계속해서 조명하는 것을 방지하는 제외 윈도우 및 타임슬롯 카운터를 초기화하는 단계;

(b) 상기 주어진 타임슬롯 내에서, 선택된 사용자로서 상기 제외 윈도우밖에 있는 가장 오래 대기한 사용자에 대하여 상기 사용자 모집단을 검색하는 단계;

(c) 상기 선택된 사용자에 대한 선호 빔을 발생시키는 단계;

(d) 상기 선호 빔을 사용하여 전송되는 파일럿 신호에 응답하여 상기 사용자 모집단내의 각각의 사용자로부터 리포트들을 수신하는 단계로서, 각각의 리포트는 상기 사용자에 대한 최대 지원 가능한 데이터 레이트들을 포함하는, 상기 수신 단계;

(e) 승리 사용자(winning user)를 선택하기 위해 상기 수신된 리포트들에 기초하여 스케줄링 알고리즘을 실행하는 단계;

(f) 상기 선호 빔을 사용하여 상기 승리 사용자에게 정보를 전송하는 단계; 및

(g) 상기 타임슬롯 카운터 및 제외 윈도우 카운터를 업데이트하는 단계를 포함하는, 정보 전송 방법.
무선 통신 시스템의 사용자들에 대한 패킷 지연을 감소시키면서 시스템 스루풋을 향상시키는 방법에 있어서:

네트워크 요소에서, 사용자 모집단의 각 사용자에 대하여 트랙킹되는 파라미터에 기초하여 상기 사용자 모집단으로부터 사용자를 선택하는 단계; 및

네트워크 요소에서, 다음 패킷을 수신하도록 스케줄링되는 상기 선택된 사용자의 기회들을 최대화하도록 상기 사용자에 대한 선호 빔을 결정하는 단계를 포함하며, 상기 선호 빔은 그 선호 빔상에서 다음 전송을 수신하도록 상기 사용자 모집단의 사용자를 스케줄링하기 위해 파일럿 신호를 전송하는데 사용되는, 시스템 스루풋 향상 방법.